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RÉSUMÉ
Cet article a pour objet la cryogénie, c’est-à-dire la production et l’utilisation de très basses températures. Différents moyens pour atteindre ces basses températures sont présentés, notamment la cascade de fluides judicieusement choisie, le cycle de Stirling avec l’air liquide, puis l’hélium liquide (fluide frigorigène souffrant de rareté). Sont ensuite abordés les principes de la désaimantation nucléaire, puis celui de la machine frigorifique magnétique, avant d’évoquer quelques perspectives sur ce sujet très loin d’être épuisé.
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Michel FEIDT : Ingénieur physicien de l’Institut national des sciences appliquées de Lyon - Docteur ès sciences - Professeur à l’université Henri-Poincaré (Nancy)
INTRODUCTION
Cette étude s’intéresse tout particulièrement à la production et l’utilisation des très basses températures ; le domaine considéré est classiquement appelé cryogénie.
Les basses températures correspondantes (typiquement inférieures à – 100 oC) nécessitent soit de recourir à des techniques différentes de celles imposées dans les deux études précédentes Production de froid et revalorisation de la chaleur : principes généraux et Production de froid et revalorisation de la chaleur : machines particulières, soit de faire appel à de nouveaux principes physiques. Les deux approches sont examinées dans le présent document.
On remarquera ici que la revalorisation de la chaleur à haute température, qui est le pendant de la cryogénie, reste un domaine peu exploré, qui mériterait sans doute plus de considération ; ce sujet ne sera qu’évoqué ici, pour préserver la symétrie formelle.
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VERSIONS
- Version archivée 1 de oct. 1998 par Michel FEIDT
- Version courante de avr. 2018 par Michel FEIDT
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3. Liquéfaction des gaz
3.1 Air liquide
Dans le cas de la liquéfaction de l’air, un des procédés les plus courants utilise le cycle de Stirling. Les figures 2a et 2b représentent le cycle de Stirling théorique en diagramme de Clapeyron et entropique. Ce cycle comporte idéalement deux transformations isothermes au contact avec la source froide (a → b) et le puits chaud (c → d). Les deux transformations isochores (d → a, b → c) sont associées ici à une régénération thermique parfaite durant le transfert du gaz au travers de l’échangeur régénérateur.
Les positions des pistons de la machine, aux points a, b, c, d du cycle, sont représentées sur la figure 2c. Il y apparaît clairement un déphasage du mouvement des deux pistons ; trois configurations cinématiques principales dites α, β et γ permettent de répondre à cette nécessité. La réalisation technique correspondante la plus connue en France est due à Philips. On notera l’existence d’autres alternatives, comme le système dû à Kapitza ou celui dû à Claude.
Un autre principe de liquéfaction consiste à utiliser le refroidissement par détente de Joule-Thomson, ou détente isenthalpique (c’est-à-dire sans échange ni de chaleur, ni de travail avec l’extérieur). Le cycle correspondant est alors appelé cycle de Linde (figure 3a ) et la réalisation technique de base est représentée schématiquement sur la figure 3b. Ce cycle est fondamentalement différent du cycle de Stirling ; la comparaison des représentations en diagramme entropique (figures 2b et 3a ) parle d’elle-même. Le cycle de Linde comporte idéalement une compression isentropique (a0 → b0), un échange de chaleur isobare avec un puits externe (b0 → c0), un échange de chaleur sur un échangeur récupérateur interne (c0 → a correspondant à c → a0), une détente isenthalpique (a → b) suivie du séparateur, délivrant du liquide de caractéristique d et recyclant...
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